毕业设计与论文（基于CMOS的运算跨导放大器的电流镜电路仿真设计）.docx

本科学生毕业论文论文题目： 基于CMOS的运算跨导放大器的电流镜电路仿真设计学 院： 电子工程学院年 级： 08级专 业： 集成电路设计与集成系统姓 名：学 号： 20083511指导教师：2012年5月20日摘要由于VLSI技术的飞速进步，CMOS电路向着低压、低功耗、小尺寸方向发展，使 得电压低、功率小CMOS电路成为目前研究的热点CMOS跨导运算放大器的特点是 电路结构简单，输出阻抗高，输出量是电流且不随负载变化；高频性能好，带通宽，增 益通过控制端连续可调，所以基于CMOS电流输出的跨导运算放大器的仿真设计研究 具有重要现实意义和应用价值本文设计了基于0.25pmCMOS工艺的以电流镜为输出 级的跨导运算放大器，其低阻抗节点可以有效地减小整个电路的功率损耗采用Tspice 软件对所设计的电路进行了仿真，而且完成了最后的版图绘制所设计CMOS的运算 跨导放大器仿真结果为：工作电压为2.5V；电压增益为73.17dB；单位增益带宽为 27.61MHz；相位裕量为77.06° ；摆率为15.3v/|is；共模输入范围为0.672-1.03V；共模 抑制比为63.89dB；电源电压抑制比为70.78dB；输出阻抗为3.6k；跨导为20.325mS； 功率为4.813mW；版图面积为31858.48|im2,达到了预期设计的要求。

关键词运算放大器；OTA； CMOS；版图AbstractBecause of VLSI technology rapid progress, CMOS circuit to low pressure, low power consumption, small size direction development, make low voltage, power small CMOS circuit for the present research hot spot. CMOS transconductance characteristics of operational amplifier circuit structure is simple, high output impedance, output is current and not change with the load; High frequency performance is good, band-pass wide, gain through the control continuous adjustable, so CMOS based on the output current transconductance of operational amplifier simulation design research has important significance and application value. In this paper, based on the current CMOS process to 0.25pm for the output stage mirror transconductance operational amplifier, its low impedance nodes can be effectively reduced power loss of the whole circuit. Tspice software by the design of circuit simulation, and completed the last of the layout scale. The design of the CMOS operational transconductance amplifier simulation results for: working voltage of 2.5 V; Voltage gain of 73.17 dB; Units gain bandwidth for 27.61 MHz; Phase allowance of 77.06 °; A rate is 15.3 v/us; Input common-mode range of 0.672 〜1.03 V; Common mode rejection ratio 63.89 dB; The power supply voltage depression than the 70.78 dB; Output resistance for 3.6 k, transconductance of 20.325 mS;The power of 4.813 mW; Layout of the area of 31858.48|im2, is expected to reach the requirement of design.Key wordsOperational amplifier;OTA;CMOS;Layout目录摘要 IAbstract II第一章绪论 11.1课题研究背景及国内外研究现状 11.2课题研究重要意义及目的 31.3论文结构和主要内容 4第二章CMOS跨导运算放大器的基本原理 62. 1 OTA的基本概念和理想模型 62. 1. 1 OTA的基本概念 62. 1.2 OTA的理想模型 62. 2 CMOS-OTA基本电路模型及工作原理 72. 3本章小结 9第三章CMOS跨导运算放大器电路设计及模拟仿真 103. 1 CMOS-OTA的电路设计 103. 1. 1电路结构 103. 1.2小信号分析 113. 1.3尺寸确定 123. 2 CMOS-OTA的模拟仿真 143.2.1增益、增益带宽、相位裕量 143. 2.2 摆率 153. 2. 3共模输入范围ICMR 163. 2. 4共模抑制比CMRR 173. 2. 5电源电压抑制比PSRR 173. 2. 6输出阻抗、跨导 183. 2. 7 功率 203. 3本章小结 20第四章CMOS跨导运算放大器的版图设计 214. 1版图设计规则 214. 2具体版图的设计 224. 3本章小结 23结论 24参考文献 26附录 28致谢 32第一章绪论1.1课题研究背景及国内外研究现状进入21世纪以来，随着科学技术的飞速发展，运算放大器的崛起使电子信息产业 蓬勃发展。

运算放大器在电子技术行业的前沿，发展十分迅速，技术更新特别的快⑴ 在1947年，JohnR.Ragazzini把一种特殊类型的放大器命名为运算放大器，简称运放 对外部元件进行恰当的选取，运算放大器能够完成放大、力口、减、微分和积分等各种运 算⑵早期用真空电子管制作运算放大器，导致体积大、重量大，而且耗电量大、价格 十分昂贵到了上世纪50年代，低压电子管的发明使得运算放大器的体积缩减到了砖 头大小上世纪60年代，人们发明了晶体管(transistor)使得运算放大器的体积进一步缩 小到了数立方英寸⑶然而，集成电路运算放大器的开发真正的推动了运算放大器的前 进，它在只有针尖头大的硅芯片上制造单片的形式由于当今世界经济竞争日益激烈， 运算放大器影响着国民经济的发展、社会的进步、国际的竞争筹码和国家的安全保障 近几年来，运算放大器取得了突破性的成果，推动了国际IC设计进入了一个新的发展 阶段在模拟信号处理中，运算放大器是最重要的模块之一，具有很多高的性能参数，可 以优化电路的设计⑷但对于研究者遵循一个电路设计原则：加反馈网络，提高运算放 大器的增益，这样的高增益运算放大器可以应用到许多电路结构的设计中。

运算放大器 有很多种类，按照输出端信号的输出形式可以分成电压型运算放大器和电流型运算放大 器两种在过去的几十年里，电压运算放大器一直占据着统治地位，并获得了广泛应用 电压运算电路是电压作为电路的输入信号，输出是电压信号，通过对输入电压信号的调 控实现电压放大的功能随着科学技术的不断发展，电压运算放大器的一些缺点就体现 出来了，在高频率、高速、低压的条件下就阻碍其正常工作，制约了电压放大的能力⑸ 这成为了设计者们所面临的一个难题经过不断的探索和研究，设计者们发现了电流运 放电路，弥补了电压运放的缺点，即把电流作为电路中的信号形式，通过对电流信号的 处理来实现电路的功能电流运放电路存在的诸多优点引起了广大设计者的极大研究兴 趣，并设计出许多别出心裁的电路结构，使它在高频、高速、低压环境中得到了广泛的 应用，为模拟集成电路的发展提供了广阔的发展前景回为了解决电压运放电路遇到的一些难以解决的问题，电流运放电路技术逐渐发展起 来⑺理论和实践表明，电流运放具有很多优良的性能，比如说输入阻抗低，输出阻抗 高，速度高，频带宽，电源电压低，功耗小等特性，正因为电流模式有这么多优点，所 以它逐渐取代电压运放电路的设计方法，在模拟集成电路设计中占据重要的地位。

这几年，电流运放电路技术作为一种重要的、具有很大发展潜力的模拟信号处理技 术，成为了国际学术界研究的热点话题电流运放电路的兴起带动了一批高性能放大器 件的诞生，如跨导运算放大器(OTA)、电流反馈运算放大器或互阻抗运算放大器(CFA)、 电流传输器(CC)o这些放大器的增益和带宽互相不会产生影响，避免了电压放大器增益 -带宽积的束缚冈随着电流运算放大器的迫切需求，跨导运算放大器才应运而生,取得了重大的突破, 注入了强大的活力，使电流运算放大器获得了新的生长点这几年来，具有很大发展潜 力的OTA成为了国际学术界研究的热点话题，主要原因有三方面：一是OTA的输出量 是电流，而不是电压某些信号处理功能用电流信号来完成比较简单，如求和、积分； 二是OTA的电路结构简单，高频性能好，能以连续时间方式对高频信号进行处理，如 高于1MHz；三是OTA新增添一个信号控制端，可连续调节增益[9】跨导运算放大器的研究正在日新月异的变化着在近十年中，国外很多公司己经推 出了很多高性能的OTA,如2003年美国微芯公(MicrochipTechnology)推出的一种双极 型双跨导运算放大器XR-13600o XR-13600在输入端采用了预畸变二极管，改善了线性 度，增加了输入信号范围；在输出端采用达林顿电压跟随器输出级，突出特点是高阻输 出端和低阻输出端同时具备，使得XR-13600具有很多优点，比如其增益可调范围大于4 个数量级，-3dB开环带宽为2MHz,最高摆率可达50v/|is[10]o在2005年，美国Analogzone 公司推出了一款CA3O8O型跨导运算放大器。

CA3O8O设置了偏置电流端，在电流控制端 施加不同的信号可以改变OTA的特性，使电路达到最佳的工作状态，使用非常灵活多变 [11]o在2010年，美国Maxim公司最新开发的MAX435和MAX436提高了跨导放大器的性 能MAX435和MAx436跨导运算放大器都使用差分高阻抗输入端，MAX435采用两个 差分输出端，MAX436则是单端输出，使得它们具有很多的优点：高速、通频带宽，能 在不加任何反馈的情况下提供准确而稳定的电流增益[⑵这些新型跨导运算放大器的 研制为运算放大器的发展提供了广阔的前景在国内，国家微电子材料与元器件微分析中心刘凯、邵丙铳于2002年提出了一种低 电压(3V)、输入输出均为全摆幅的两级CMOS-OTAo在弱反型区，跨导运算放大器 的输入级被偏置，有效的减小了电路的静态功耗；为了使输出电压全摆幅，使用甲乙类 共源为输出级〔⑶在2003年，湖南大学电气与信息工程学院的成坚、何怡刚研究了一 种高频、高线宽可调的CMOS -OTA为了使输入电压的线性范围。